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Die Autor*innen
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Wolfgang Tews
Teilchenzoo – Vielfalt und Ordnung
lernst du in der Oberstufe 8. Klasse - 9. Klasse

Teilchenzoo – Vielfalt und Ordnung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Teilchenzoo – Vielfalt und Ordnung kannst du es wiederholen und üben.
  • Zeige, wie die Existenz subatomarer Partikel nachgewiesen wurde.

    Tipps

    Es entsteht ein Streuungsbild ganz ähnlich dem Rutherford'schen Streuversuch.

    Die Bahn des Elektrons wird unterschiedlich beeinflusst, je nachdem, in welchem Winkel und auf welcher Höhe dieses auf das Proton trifft.

    Lösung

    Wir können beobachten, dass die Bahn des Elektrons unterschiedlich beeinflusst wird, je nachdem, in welchem Winkel und auf welcher Höhe dieses auf das Proton trifft.

    Das bedeutet, es muss eine inhomogene Verteilung der Ladung innerhalb des Protons geben.

    Tatsächlich ist das Proton aus einem negativ geladenen down-Quark und zwei positiv geladenen up-Quarks aufgebaut.

    Bewegt sich ein Elektron nun im Bereich der negativen Ladung, wird dieses reflektiert. Im Bereich positiver Ladung wird es abgelenkt.

    Es entsteht ein Streuungsbild ganz ähnlich dem Rutherford'schen Streuversuch.

    Diese Beobachtungen führten zu weiteren Nachforschungen im Bereich der subatomaren Partikeln.

  • Gib an, welche Quarks nachgewiesen sind.

    Tipps

    Die Bausteine des Atomkern bestehen aus noch kleineren Partikeln.

    Ein Proton besteht aus zwei unterschiedlichen Quarks.

    Lösung

    Die Bausteine des Atomkern bestehen aus noch kleineren Partikeln.

    Dabei unterteilt man diese in die kleineren Leptonen und die größeren Hadronen oder Quarks.

    Diese Tatsache konnte mit einem Streuversuch nachgewiesen werden, der dem Rutherford'schen Streuversuch zum Nachweis der Atomstruktur nachempfunden ist.

    Da mittlerweile mehr als 200 subatomare Teilchen bekannt sind, spricht man von einem Teilchenzoo, denn es gibt zahlreiche unterschiedliche Teilchen, so wie es unterschiedliche Tiere in einem Zoo gibt.

    Bekannte Quarks sind etwa das Top-Quark und das Down-Quark, aus welchen Protonen und Neutronen aufgebaut sind. Weitere Teilchen, deren Existenz man nachweisen konnte, sind etwa das strange-Quark oder das charme-Quark.

    Mit Hilfe der Quarks erhofft man sich, die Prozesse unmittelbar nach dem Urknall besser erklären zu können und somit auch ein besseres Verständnis für die Entstehung von Materie, Zeit und Raum zu erhalten.

  • Gib an, was das Higgs-Feld ist.

    Tipps

    Peter Higgs wurde für seine Arbeit an den subatomaren Teilchen mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

    Peter Higgs, der Erfinder des Higgs-Feldes, betrachtete dabei in der Regel das Higgs-Boson.

    Lösung

    Das Higgs-Feld kannst du dir als eine zähe Flüssigkeit vorstellen, die das Vakuum ausfüllt.

    Bewegt sich ein subatomares Teilchen nun durch das Vakuum, so treten Trägheitskräfte auf.

    Trägheitskräfte würden auch auftreten, wenn du durch Honig schwimmen würdest: Es wäre viel schwieriger vorwärts zu kommen als im Wasser.

    Trägheitskräfte sind immer mit einer Masse verknüpft.

    Auch die kleinsten Teilchen müssen also eine Masse haben.

    Peter Higgs, der Erfinder des Higgs-Feldes, betrachtete dabei in der Regel das Higgs-Boson.

    Für dieses konnte er anhand der Trägheitskräfte die Masse mit $ 2,3 \cdot 10 ^{-25} kg$ ermitteln.

    Die elektrische Ladung des Higgs-Bosons ist dabei neutral.

    Mit der Erkenntnis, dass subatomare Teilchen ihre Masse aus der Trägheit erhalten müssen, fand nun ein großer Fortschritt in der Teilchenphysik statt.

    Peter Higgs wurde für seine Arbeit an den subatomaren Teilchen mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

  • Analysiere die Bedeutung der Arbeit von Peter Higgs.

    Tipps

    Der britische Physiker Peter Higgs konnte die Masse des Higgs-Bosons bestimmen.

    Fundamentale Erhaltungssätze gelten auch für die Physik der Elementarteilchen.

    Lösung

    Der britische Physiker Peter Higgs entdeckte den Mechanismus, mit dem Elementarteilchen ihre Masse erhalten.

    Dafür wurde ihm 2013 der Nobelpreis für Physik zuerkannt.

    Zunächst traf er die Annahme, dass das Vakuum nicht leer, sondern von einem Feld durchsetzt sei, dem Higgs-Feld.

    Dieses Feld bewirkt Trägheitseffekte auf die masselosen Elementarteilchen.

    Aufgrund der Äquivalenz von Trägheit und Masse konnte so den Teilchen eine Masse zugeordnet werden.

    Man könnte sagen, die Teilchen verhalten sich so, als hätten sie eine Masse, obwohl die eigentlich masselos sind.

    Für die Kombination aus Higgs-Feld und Higgs-Boson ermittelte Higgs die Masse $m_{HB} = 2,3 \cdot 10^{-25} $ kg und eine neutrale Ladung.

    So wurde der Nachweis erbracht, dass tatsächlich fundamentale Erhaltungssätze auch für die Elementarteilchen gültig sind.

    Beispielsweise zu nennen sind dazu:
    Erhalt der Gesamtenergie, Erhalt des Gesamtimpuls oder Erhalt der Ladung.

    Die Wechselwirkung zwischen den Elementarteilchen laufen also, ebenso wie es bei Atomen oder Molekülen der Fall ist, nicht willkürlich ab, sondern nach einem fundamentalen Schema.

  • Bezeichne den inneren Aufbau des Protons.

    Tipps

    Ein Proton trägt die Ladung $1e$.

    Verschiedene Quarks können unterschiedliche Ladungen tragen.

    Lösung

    Ein Proton ist aus drei Quarks aufgebaut.

    Einem down-Quark und zwei up-Quarks.

    Wir wissen ja bereits, dass ein Proton immer mit dem Betrag der Elementarladung positiv geladen ist.

    Denn die Ladung eines Protons gleicht ja immer die eines Elektrones genau aus.

    Da auch Quarks eine Ladung tragen, müssen sich diese zu einer Gesamtladung von $ 1e$ addieren.

    Mathematisch formuliert $ q_{prot} = 2 \cdot q_{up} + q_{down} = 1 $.

    Damit muss die Ladung eines up-Quarks $q_{up} = \frac{2}{3} $ und die des down-Quarks $q_{down} = - \frac{1}{3} $ betragen.

    Setzen wir zur Kontrolle ein.

    $ q_{prot} = 2 \cdot \frac{2}{3} - \frac{1}{3} = 1 $.

  • Bestimme welche Quarks positiv und welche negativ geladen sind.

    Tipps

    Zu den einzelnen Quarks existieren ihre jeweiligen Anti-Quarks, welche die gleiche Masse, aber umgekehrte Ladung haben.

    Da ein Proton nach außen die Ladung $1e$ hat, müssen auch seine Quarks eine positive Ladung tragen.

    Lösung

    Wir wissen bereits, dass etwa Protonen und Neutronen aus drei unterschiedlichen Quarks bestehen.

    Über Protonen und Neutronen an sich wissen wir, dass diese eine annähernd gleiche Masse haben, wobei das Proton einfach positiv geladen ist und das Neutron neutral.

    Quarks haben eine Masse, sodass logischerweise bei gleicher Anzahl die Masse von Proton und Neutron nahezu identisch sein müssen.

    Geringe Unterschiede treten auf, da im Proton und Neutron nur zwei von drei Quarks identisch sind.

    Betrachten wir nun die Ladung.

    Da ein Proton nach außen die Ladung $1e$ hat, müssen auch seine Quarks eine positive Ladung tragen. Sonst gäbe es ja keine Erklärung für den Ursprung der elektrischen Ladung.

    Dabei ergibt die Zusammensetzung aus einem down-Quark mit zwei up-Quarks im Proton eine Gesamtladung von $1e$. Im Neutron ergibt sich die Gesamtladung zu $0$, wobei dieses aus einem up-Quark und zwei down-Quarks besteht.

    Daraus ergibt sich, dass ein up-Quark positiv geladen sein muss und das down-Quark negativ.

    Weitere positiv geladenen Quarks sind etwa das charme-Quark oder das top-Quark.

    Auch weitere negative Quarks sind bekannt. Beispiel dafür sind etwa das bottom-Quark oder das strange-Quark.

    Zu den einzelnen Quarks existieren zudem ihre jeweiligen Anti-Quarks, welche die gleiche Masse aber umgekehrte Ladung haben.

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